&bala; Física 18, 33
Os pesquisadores estão desvendando a influência de partículas energéticas na estabilidade dos plasmas em reatores de fusão.
Um formato standard para futuros dispositivos de fusão é o chamado reator de tokamak, um dispositivo que limita um plasma em chamas em forma de donut. No entanto, experimentos e simulações mostraram que as bordas dessa rosquinha podem desenvolver ondas e desestabilizar, que têm ramificações para a integridade do reator de tokamak. Tais desestabilizações são “uma séria ameaça para futuros dispositivos de fusão”, diz Jesús Dominguez-Palacios da Universidade de Sevilha, Espanha. Agora, ele e seus colegas simularam o efeito de que partículas de alta energia-que são injetadas no plasma em certos esquemas de fusão-têm instabilidades localizadas em arestas (1). Os resultados têm implicações para o design de métodos de mitigação de desestabilização em futuros tokamaks.
Em um plasma ultimate de tokamak, os campos magnéticos limitam um plasma de um milhão de graus a uma região em forma de massa, impedindo que ele tocasse (e assim danifique) as paredes do dispositivo. No entanto, distúrbios, como os chamados modos localizados em borda, podem se desenvolver ao longo da borda do plasma, criando um risco de que parte do plasma “colidem” nas paredes do Tokamak e corroa os componentes do dispositivo. Essa degradação limita a capacidade do Tokamak de operar corretamente. Os modos localizados em borda também podem desencadear outras instabilidades que atacam da mesma forma a estrutura de tokamak.
Devido a essas questões, os pesquisadores gostariam de eliminar o aparecimento de modos localizados em arestas, mas primeiro precisam entender como esses modos acontecem. Para esse fim, Dominguez-Palacios e seus colegas simularam o que acontece com os modos localizados na borda quando interagem com partículas altamente energéticas. Em certos cenários do reator, essas partículas são injetadas no plasma para ajudar a iniciar as reações nucleares. A injeção de partículas de alta energia está sendo estudada para o reator experimental termonuclear internacional (ITER) que deve ficar on-line na próxima década. “Em futuros plasmas queimados, teremos uma grande população de partículas energéticas, por isso precisamos aprender como (modos localizados em borda) se comportam na presença de partículas energéticas”, diz Manuel Garcia-Muñoz, membro da equipe, da Universidade de Sevilha.
Nas simulações da equipe, um feixe de partículas energéticas neutras é injetado em um plasma de tokamak, um modelado após a atualização do Asdex Tokamak na Alemanha. A neutralidade das partículas é importante, pois permite que elas passem pelos campos magnéticos que confinam o plasma. Uma vez dentro da rosquinha, as partículas de feixe colidem com partículas no plasma, criando íons de alta energia que ajudam a aquecer o plasma na temperatura de queima de fusão.
Sem contabilizar os íons de alta energia, as simulações mostram uma rosquinha de plasma estável. Uma onda de longo período pode se formar na borda externa do plasma, mas a magnitude da onda é muito pequena para o plasma tocar as paredes do Tokamak. Considerando em íons de alta energia, as simulações indicam que tanto a frequência dos modos localizados na borda quanto seu aumento de magnitude máxima, tornando mais provável os eventos de colisão. Os eventos de colisão começam a ocorrer com regularidade quando a energia dos íons ultrapassa 20.000 eV, cerca de 4 vezes a energia média das partículas no plasma de fundo. As propriedades desses eventos de colisão, bem como as dos modos localizados nas arestas, correspondem aos observados em experimentos.
“Vemos que os íons altamente energéticos podem ter um impacto significativo nas propriedades dos modos localizados em arestas”, diz Dominguez-Palacios. “Isso sugere que, se queremos desenvolver estratégias de mitigação adequadas, precisamos levar em consideração o controle desses íons energéticos”. Essas estratégias incluem a atualização dos campos magnéticos de confinamento do plasma ou a mexer com o tempo ou geometria da injeção. “Os resultados mostram que partículas altamente enérgicas que nascem dentro do plasma podem se mover para a borda e impactar significativamente a física localizada em arestas”, diz Chang Liu, físico de plasma do Laboratório de Física de Plasma de Princeton, Nova Jersey, que não estava envolvido neste estudar.
Liu observa que os pesquisadores haviam pensado anteriormente que o inside e fora do plasma eram independentes e podiam ser estudados separadamente. As descobertas de Dominguez-Palacios, Garcia-Muñoz e seus colegas viram essa crença de cabeça para baixo. “Precisamos fazer modelagem de dispositivos inteiros que conecte o núcleo e a borda”, diz Liu. “A população dessas partículas altamente energéticas pode ser pequena, mas aqui vemos que elas podem ter um efeito muito grande nos modos da borda e como o plasma se comporta”.
–Katherine Wright
Katherine Wright é a vice -editora de Revista de Física.
Referências
- J. Dominguez-Palacios et al.“Efeito de íons energéticos nos modos localizados em arestas em plasmas de tokamak”. Nat. Phys. 2143 (2025).
